郭屯礦2301工作面裂隙發(fā)育規(guī)律與現(xiàn)場探測

端木令蒙，張沖沖

（臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司郭屯煤礦，山東 菏澤 274700）

1 工程概況

郭屯礦2301工作面位于工業(yè)廣場西南約3500m，地表以農(nóng)田為主，八里河支流從工作面西部穿過。2301工作面位于礦山二采區(qū)的西翼，工作面東部為南翼集中進(jìn)風(fēng)巷與南翼集中膠帶巷，西部靠近礦層露頭。地面標(biāo)高為+43.5m～+45.1m，工作面標(biāo)高為-678m～-763m，工作面的軌道順槽與膠帶順槽分別為1040m、953m。

2301 工作面礦層走向、傾向與傾角分別為12°～142°、102°～232°、5°～24°，礦層的賦存相對穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較為簡單，在整個工作面的采礦區(qū)間內(nèi)礦層的平均厚度6.35m，頂板主要為粉砂與細(xì)砂巖，底板為泥巖與粉砂巖。2301工作面上覆松散地層厚度為616.46m～660.5m，平均厚度642.3m，上覆松散地層厚度沿工作面推進(jìn)方向逐漸減小。2301工作面開采山西組3礦層，上距新近系底界52m～170m，基巖厚度沿工作面推進(jìn)方向逐漸增大，在西部開采時，由于工作面位于礦層露頭附近，工作面在西部開采時有可能波及新近系底部含水層。

2 覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬軟件

在實(shí)際的開采作業(yè)過程中，為了充分掌握薄基巖厚松散層2301綜放工作面的裂隙發(fā)育規(guī)律，需要通過數(shù)值模擬的方式來獲得相應(yīng)的規(guī)律，數(shù)值模擬方法通過工程地質(zhì)模型的概化，構(gòu)建了相應(yīng)的物理力學(xué)模型與邊界條件，可以實(shí)現(xiàn)對工程破壞、破壞趨勢的模擬與預(yù)測。在數(shù)值模擬的過程中，模擬軟件極為關(guān)鍵，在郭屯礦的裂隙發(fā)育規(guī)律研究方面，采用的是FLAC3D軟件，此模擬軟件在具體的應(yīng)用過程中，可以實(shí)現(xiàn)土質(zhì)、巖石、其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特征模擬、塑性流動分析，而通過對多面體單元的調(diào)整來進(jìn)行工程全過程的模擬，有效實(shí)現(xiàn)了對采礦覆巖運(yùn)動的分析與觀測，利用此軟件可以更為準(zhǔn)確、高效地獲得塑性流動、破壞的具體情況[1]。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型建立

在數(shù)值模型建立時，需以郭屯礦2301工作面的地質(zhì)、開采技術(shù)條件作為基礎(chǔ)，建立FLAC3D三維計(jì)算模型，分析深埋薄基巖厚松散層開采時覆巖的運(yùn)動規(guī)律，在具體的模擬過程中，重點(diǎn)需進(jìn)行開挖全過程的模擬，根據(jù)模擬情況來獲得工作面上覆巖破壞的變化過程與趨勢。三維計(jì)算模型如圖1所示，模型內(nèi)包含了礦層、頂?shù)装鍘r層，三維模型沿走向長800m，沿傾向長400m，模型總體高度為480m，其中，模擬礦層為7m，底板為80m，礦層頂板薄基巖厚度為393m，三維模型共劃分896827個三維單元，157651個節(jié)點(diǎn)，沿走向剖面圖如圖2所示。

圖1 三維模型網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 三維模型網(wǎng)絡(luò)走向圖

在模型模擬時，2301工作面推進(jìn)308m，其中工作面傾斜長度200m，切眼與終采線向外220m礦柱作為固定邊界，傾斜方向前后100m礦柱作為固定邊界。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 垂直應(yīng)力分析

根據(jù)開采工程實(shí)踐，在工作面推進(jìn)距離不同的條件下，其覆巖運(yùn)動時所產(chǎn)生的垂直應(yīng)力變化也存在著較大的差異性。如果在實(shí)際的模擬過程中，推進(jìn)不同的距離，觀察在各種推進(jìn)距離模擬條件下垂直應(yīng)力場的變化規(guī)律，進(jìn)而根據(jù)此來判定覆巖的運(yùn)動規(guī)律。根據(jù)相應(yīng)的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在不同的推進(jìn)距離下，垂直應(yīng)力分布隨之發(fā)生變化，隨著工作面逐步向前推進(jìn)，采場覆巖垂直應(yīng)力的分布特征為：工作面兩端高于中間的特征，主要是由于在工作面的推進(jìn)過程中，中部頂板來壓，上、下端頭來壓，而在工作面穩(wěn)定的過程中，采場中部頂板逐步垮落下沉，隨著應(yīng)力的逐步釋放，頂板垂直應(yīng)力也會逐步減小，在應(yīng)力重新分布與穩(wěn)定的過程中，覆巖會形成更為穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)[2]。因此，此處的壓力也是最大的，應(yīng)力相對集中，隨著工作面推進(jìn)距離的逐步增大，中部頂板的壓力越來越小。

2.3.2 覆巖運(yùn)動位移分析

在工作面逐步推進(jìn)時，由于采場上覆巖層會受到礦山壓力的作用，在此作用下，頂板會逐步出現(xiàn)一定的垂直位移。在不同的推進(jìn)距離下，頂板垂直位移變化明顯。隨著工作面的逐步推進(jìn)，采場頂板會出現(xiàn)中部凹的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為采場中下沉量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了礦壁處的下沉量，而此下沉現(xiàn)象是與工作面的推進(jìn)距離緊密聯(lián)系的，當(dāng)推進(jìn)距離逐步增大時，下沉現(xiàn)象也更為明顯。這種現(xiàn)象的主要原因是：隨著礦山開采作業(yè)的進(jìn)行，在開采區(qū)域內(nèi)逐步形成一定的采掘空間，推進(jìn)距離的變化會引起上覆巖層的變化，尤其是當(dāng)推進(jìn)距離逐步增大的過程中，上覆巖層的跨度逐步增大，也就形成了類似簡支梁的結(jié)構(gòu)，當(dāng)上覆巖層的跨度達(dá)到了其極限以后，直接頂發(fā)生斷裂的概率相對較高，在斷裂以后，回轉(zhuǎn)下沉，也就使得采場中間的下沉量要相對大些。

2.3.3 工作面覆巖塑性區(qū)分析

在工作面的推進(jìn)過程中，頂板礦體始終處于大范圍的剪切狀態(tài)下，當(dāng)工作面推進(jìn)距離逐步增大的過程中，對于頂板的破壞也日益明顯。根據(jù)相應(yīng)的模擬結(jié)果，在不同的推進(jìn)距離下，直接頂?shù)钠茐某潭?、范圍有所不同，?dāng)推進(jìn)距離為50m時，頂板44m范圍內(nèi)的直接頂巖體出現(xiàn)了剪切與拉伸破壞，基本頂在極小的范圍內(nèi)發(fā)生了剪切破壞；當(dāng)推進(jìn)距離為100m時，直接頂全部被破壞，并且與50m的推進(jìn)距離相比，基本頂?shù)钠茐姆秶鸩皆龃螅?8m范圍內(nèi)存在破壞；推進(jìn)距離為200m時，直接頂同樣全部被破壞，由于推進(jìn)距離相對較大，基本頂?shù)睦炱茐呐c剪切破壞范圍更大。因此，推進(jìn)距離與直接頂剪切破壞深度有著直接的關(guān)系，當(dāng)工作面在逐步推進(jìn)的過程中，直接頂會隨之出現(xiàn)明顯的垮落，當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到一定的長度時，基本頂會發(fā)生沉降現(xiàn)象。

3 井下導(dǎo)水裂隙帶觀測高度方法

要獲得薄基巖厚松散層綜放工作面裂隙發(fā)育的具體情況，需利用相應(yīng)的方法來觀測井下導(dǎo)水裂隙帶的高度，在具體的觀測過程中，在井下回采工作面周邊選取一個位置，進(jìn)行鉆窩的布置，有該鉆窩向工作面采空區(qū)上方的覆巖導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)施工仰斜鉆孔，利用井下導(dǎo)高觀測儀來進(jìn)行導(dǎo)高的測量與獲取，與傳統(tǒng)的地面鉆孔沖洗液消耗量觀測法下相比，這種觀測方法下的工作量相對較小，不僅操作便捷，還可以獲得更高的觀測精度，具有低成本優(yōu)勢。

3.1 井下仰斜鉆孔導(dǎo)高觀測儀測試原理

在工作面裂隙規(guī)律的分析過程中，主要是由井下仰斜鉆孔導(dǎo)高觀測儀來獲得相應(yīng)的觀測結(jié)果的，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，為提高觀測結(jié)果的精度，需注意以下要點(diǎn)：①仰斜鉆孔必須要穿過導(dǎo)水裂隙帶，在回采工作面周邊的特定位置，向采空區(qū)上方施工仰斜鉆孔，該鉆孔必須要穿透覆巖導(dǎo)水裂隙帶，使得其進(jìn)入其上方彎曲帶的一定距離，需將其距離控制在10m上，此鉆孔就是導(dǎo)高觀測鉆孔。②觀測對比孔驗(yàn)證覆巖原生裂隙，在采后孔的觀測過程中，需同步在鉆窩位置增加一個采前對比孔，這一對比孔的設(shè)計(jì)參數(shù)需與采后對比孔的基本參數(shù)保持一致，采前對比孔的設(shè)置是為了對未受到采動影響前的原生裂隙加以觀測，使得在后期的數(shù)據(jù)處理過程中，能夠及時排除采后孔原生裂隙孔段，對觀測結(jié)果加以校正和檢驗(yàn)，保障觀測結(jié)果的精確性。③由井下導(dǎo)高觀測儀來對各段巖層的透水性加以檢測，在此過程中，為保障檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，需正確進(jìn)行井下導(dǎo)高觀測儀的操作，由孔口一定位置開始，從下到上逐段進(jìn)行巖層導(dǎo)水性能的測試，一般要維持每段為1m～1.5m，逐段測試直到孔底，實(shí)際測試所獲得的透水巖層的最大高度，就是該位置采場覆巖的導(dǎo)水裂隙帶高度。

3.2 雙端堵水器的控制與巖層透水性觀測方法

雙端堵水器是井下導(dǎo)高觀測儀的重要構(gòu)成，其在具體的觀測過程中，主要是由起脹控制臺與注水控制臺來對其進(jìn)行操作的。從系統(tǒng)構(gòu)成來看，起脹控制臺的兩端分別與起脹管路、高壓氣源相連接，而注水控制臺的兩端分別與注水管路、高壓水源加以連接，在具體的觀測數(shù)據(jù)獲取過程中，主要需遵循以下的操作流程：①收縮膠囊，對起脹控制臺加以操作，使得雙端堵水器的兩個膠囊能夠處于無壓收縮的情況下；②推移探頭，利用鉆機(jī)鉆桿來將雙端堵水器的探頭推移到觀測段的巖層位置，也就是鉆孔的某一深度條件下；③起脹膠囊，操作起脹控制臺，對雙端堵水器的兩個膠囊加以注氣和加壓，使得這兩個膠囊能夠在主氣和加壓作用下處于承壓膨脹狀態(tài)，進(jìn)而封堵分隔一段鉆孔。

4 開采工作面“兩帶”高度現(xiàn)場觀測方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際的觀測過程中，為保障觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須要在觀測開始之前，進(jìn)行觀測位置的選擇、保障鉆孔布置的合理性。通常情況下，觀測位置與鉆孔布置需符合以下的標(biāo)準(zhǔn)與要求：①測位置與開采邊界之間必須要存在一定的距離，此距離的保持是為了使得導(dǎo)高觀測鉆孔在觀測時能夠有相對合適的仰角或者俯角，降低和減弱開采作業(yè)時，采動礦壓對觀測巷道所造成的破壞；②觀測位置必須要符合適當(dāng)縮小觀測鉆孔長度的要求；③觀測位置必須要能夠觀測到覆巖導(dǎo)水裂隙帶的馬鞍形頂部最大值。

5 結(jié)語

一些礦山開采作業(yè)中，常常會面臨薄基層厚松散層的工作面情況，由于其工作面條件相對復(fù)雜，在實(shí)際的開采作業(yè)過程中，必須要進(jìn)行裂隙發(fā)育規(guī)律的分析與掌握，并做好相應(yīng)的現(xiàn)場探測工作，全面根據(jù)分析與探測結(jié)果來制定完善的開采作業(yè)方案，提高開采的安全性與高效性。